Aula 1 (1)

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Aula 1 – Fundamentos de automação
1.1 Considerações iniciais
Nesta aula, a origem da automação industrial e uma série histórica de fatos científicos e
tecnológicos que contribuíram para o atual nível de desenvolvimento da automação
industrial são apresentadas. Complementando a aula, são apresentadas as classificações
relacionadas à automação industrial, alguns mecanismos de acionamentos e
movimentação, conceitos básicos e terminologias utilizadas em automação e, por fim, a
robótica.
Inicialmente, convém salientar que automação é diferente de mecanização. Enquanto a
mecanização está baseada na utilização de máquinas para executar determinada tarefa em
substituição do esforço físico, a automação possibilita fazer uma tarefa por meio de
máquinas que são controladas automaticamente.
Assim, uma definição simples para a automação é a de um sistema de controle pelo qual os
mecanismos verificam a sua própria operação, efetuando medições e introduzindo
correções, sem a necessidade da intervenção do homem.
1.2 Histórico
A evolução da automação industrial remete a longos períodos de tempo na história. Desde
a pré-história o homem vem desenvolvendo mecanismos e invenções com o intuito de
reduzir o esforço físico e auxiliar na realização de atividades. Como exemplo, podem-se
citar a roda para movimentação de cargas e os moinhos movidos por vento ou força animal.
● Entretanto, a automação industrial começou a conquistar destaque na sociedade no
século XVIII, com o início da Revolução Industrial, originada na Inglaterra. Devido a
uma evolução no modo de produção, o homem passou a produzir mercadorias em
maior escala. Com o objetivo de aumentar a produtividade, diversas inovações
tecnológicas foram desenvolvidas no período:
● Máquinas modernas, capazes de produzir com maior precisão e rapidez quando
comparadas ao trabalho manual.
● Novas fontes energéticas, como o vapor, aplicado a máquinas para substituir a
energia hidráulica e/ou muscular.
O primeiro controlador automático com realimentação usado em um processo industrial é
geralmente aceito como o regulador de esferas de James Watt ( Teste regulador de Watt.
), desenvolvido em 1769 para controlar a velocidade de um motor a vapor.
O dispositivo mostrado na Figura 1.1 mede a velocidade do eixo de saída e utiliza o
movimento das esferas para controlar a quantidade de vapor que entra no motor através de
uma válvula. O eixo de saída do motor a vapor é conectado por meio de ligações mecânicas
e engrenagens cônicas ao eixo do regulador. À medida que a velocidade do eixo de saída
do motor a vapor aumenta, os pesos esféricos se elevam e, através de ligações mecânicas,
a válvula de vapor se fecha, como mostra a Figura 1.2, e o motor desacelera. O processo
inverso ocorre quando a velocidade do eixo de saída do motor a vapor diminui.
https://www.youtube.com/watch?v=A5l4fQa6kmw
Figura 1.1: Regulador de fluxo de vapor de Watt
Fonte: CTISM
Figura 1.2: Mecanismo de regulagem do fluxo de vapor
Fonte: CTISM
A partir do século XIX, a energia elétrica passou a ser utilizada e a estimular indústrias
como a do aço e a química. Novos processos de produção de aço, que aumentam a sua
resistência e permitem a sua produção em escala industrial, foram criados. O setor de
comunicações passou por avanços significativos com as invenções do telégrafo e do
telefone. O setor de transportes também progrediu com a expansão das estradas de ferro,
locomotivas a vapor e o crescimento da indústria naval. Outra importante invenção, o motor
à explosão, também ocorreu neste período.
No século XX, computadores, servomecanismos e controladores programáveis passaram a
fazer parte da automação. Para chegar aos computadores que usamos atualmente,
diversos avanços foram sendo praticados ao longo do tempo, desde o uso de ábacos pelos
babilônios, passando pela régua de cálculo (século XVII) e pelos cartões perfurados (século
XIX). Durante este período, George Boole desenvolveu a álgebra booleana, que apresenta
os princípios binários, os quais são aplicados nas operações internas de computadores. Os
computadores constituem a base de toda a tecnologia da automação contemporânea e
exemplos de sua aplicação estão presentes em praticamente todas as áreas do
conhecimento.
1.3 Processos industriais e variáveis de processo
Basicamente, a automação industrial pode ser dividida em duas modalidades quanto aos
tipos de processos: processos da manufatura e processos contínuos. Os processos da
manufatura são aqueles em que há grande movimentação mecânica de partes. O exemplo
mais clássico é a indústria automobilística. Na linha de montagem, há robôs soldadores,
esteiras transportadoras e outros sistemas, como mostra a Figura 1.3. Nos processos da
manufatura, as grandezas mais comuns são força, velocidade e deslocamento.
Figura 1.3: Robôs usados na indústria automobilística Fonte:
http://3.bp.blogspot.com/-c-v4bil5sBQ/Tyqw5929-tI/AAAAAAAAHuY/QFDYB7SDTL0/s1600/
118_1_IF.jpg
Ao contrário dos processos da manufatura, os processos contínuos são caracterizados pela
pouca movimentação mecânica de partes. Uma estação de tratamento de água, mostrada
na Figura 1.4, é um exemplo. As grandezas mais comuns nos processos contínuos são
temperatura, vazão e pressão
Figura 1.4: Estação de tratamento de água
Fonte:
http://meioambiente.culturamix.com/blog/wp-content/gallery/4_84/tratamento-terciario-1.png
Há muitas fábricas em que ambos os processos devem funcionar conjuntamente, por
exemplo, a indústria de bebidas, na qual há processos contínuos na produção do líquido e
da manufatura no seu envasamento e transporte.
Outra classificação aceita para os sistemas automatizados de produção está relacionada ao
grau de flexibilidade, sendo definidos três tipos básicos: automação rígida, programável e
flexível. A posição relativa dos três tipos de automação para os diferentes volumes e
variedades dos produtos é mostrada na Figura 1.5.
Figura 1.5: Tipos de automação relativos ao volume de produção e variedade do produto
Fonte: CTISM
Automação rígida – está baseada em uma linha de produção projetada para a fabricação
de um produto específico. Apresenta altas taxas de produção e inflexibilidade do
equipamento na acomodação da variedade de produção.
Automação programável – o equipamento de produção é projetado com a capacidade de
modificar a sequência de operações de modo a acomodar diferentes configurações de
produtos, sendo controlado por um programa que é interpretado pelo sistema. Diferentes
programas podem ser utilizados para fabricar novos produtos. Esse tipo de automação é
utilizado quando o volume de produção de cada item é baixo.
Automação flexível – reúne algumas das características da automação rígida e outras da
automação programável. O equipamento deve ser programado para produzir uma variedade
de produtos com algumas características ou configurações diferentes, mas a variedade
dessas características é normalmente mais limitada que aquela permitida pela automação
programável.
Algumas razões que justificam a automação da produção e da manufatura são as
seguintes: aumento da produtividade, redução dos custos do trabalho, minimização dos
efeitos da falta de mão de obra qualificada, redução ou eliminação das atividades manuais
rotineiras, aumento da segurança do trabalhador, melhoria na uniformidade do produto,
realização de processos que não podem ser executados manualmente.
Na automação industrial, diversos mecanismos de acionamento e movimentação podem ser
empregados. Alguns exemplos destes elementos são os elétricos (motores, válvulas
solenoides, eletroválvulas), hidráulicos (válvulas e cilindros hidráulicos), pneumáticos
(válvulas e cilindros pneumáticos) e mecânicos (polias, engrenagens e correias). Os
acionamentos elétricos dependem do fornecimento de níveis de tensão e corrente
adequados para produzir trabalho.
1.4 Conceitos básicos e terminologia
Nesta seção, alguns conceitos básicos e termos utilizados frequentemente em automação
industrial são apresentados, com o intuito de auxiliar no entendimentodas aulas seguintes.
● Processo – conjunto de atividades ou passos que objetivam atingir uma meta.
Utilizado para criar, inventar, projetar, transformar, produzir, controlar, manter e usar
produtos ou sistemas. Processo automatizado – processo através do qual os
mecanismos verificam seu próprio funcionamento, efetuando medições e
introduzindo correções, sem necessidade de interferência do homem.
● Variável de processo – qualquer grandeza ou condição de um processo que é
passível de variação. Em controle de processos também é chamada de variável
controlada.
● Controle de processos – técnica de manter variáveis de um processo (como
temperatura e pressão) em valores predeterminados a partir de um procedimento
que calcula correções proporcionais a uma ou mais variáveis que são medidas em
tempo real por um determinado equipamento.
● Sensor – elemento que está conectado à variável de processo e mede suas
alterações. São dispositivos que causam alguma mudança nas suas propriedades
de acordo com mudanças nas condições do processo.
● Atuador – elemento que atua para alterar fisicamente uma variável manipulada.
Pode ser uma válvula utilizada para restringir a passagem de um fluido, bombas
para regular o fluxo, entre outros.
● Controlador Lógico Programável (CLP) – aparelho eletrônico digital que pode ser
programado através de uma linguagem de programação de maneira a executar
funções aritméticas, lógicas, de temporização, de contagem, entre outras. Possui
entradas para aquisição de dados e saídas para acionar diversos tipos de
dispositivos ou processos.
● Programas – também chamados de softwares, são conjuntos de instruções lógicas,
sequencialmente organizadas, as quais indicam ao controlador ou ao computador as
ações a serem executadas.
1.5 E a robótica?
O termo robot nasceu da palavra tcheca robotnik, que significa trabalho forçado, e apareceu
pela primeira vez na peça de teatro RUR – Robôs universais de Rossum, do escritor e
teatrólogo tcheco Karel Capek, por volta de 1921. Décadas atrás, os robôs faziam parte
apenas da ficção científica e eram fruto da imaginação do homem. Existem registros de
várias animações mecânicas, como o leão animado de Leonardo da Vinci (
) e suas máquinas que tentavamExposição do Leão Autômato criado por Da Vinci
reproduzir o voo das aves.
Mas foi George Devol, pai da robótica industrial, que, com a construção de robôs no século
XX, aumentou a produtividade e melhorou a qualidade dos produtos. Os robôs dos anos
1960 eram destinados a executar tarefas que o ser humano não podia realizar, pois
https://www.youtube.com/watch?v=Hiy5rYlb8fQ
envolviam ambientes de trabalho com altos níveis de calor, ruído, gases tóxicos, esforço
físico extremo, trabalhos monótonos.
O campo da robótica pode ser entendido como uma subcategoria da automação. É
conhecido por tratar de agentes de software (ou robôs de software) com Inteligência
Artificial e habilidades de Machine Learning, que podem usar um software de computador
como um humano poderia.
1.6 Gerações de robôs
Os robôs também podem ter uma classificação cronológica. Com o avanço da tecnologia
permitindo o desenvolvimento de várias estruturas, apareceu a necessidade de classificar
os robôs de acordo com a época de sua criação, situando-os no tempo.
● Primeira geração – Os robôs são dotados apenas de sensores, operam em um
ambiente estruturado e possuem sequência de operação fixa, o que permite que
executem sempre a mesma tarefa. Exemplo: “braços” para coleta de amostras
submarinas.
● Segunda geração – São robôs dotados com sensores internos e externos para que
percebam o ambiente; possuem atuadores pneumáticos, hidráulicos ou elétricos.
Exemplo: manipuladores.
● Terceira geração – Os robôs fazem uso intensivo de sensores, de algoritmos de
percepção e de controle inteligente. O robô de terceira geração comunica-se com
outras máquinas, toma decisões autônomas diante de situações não previstas e
atua em ambiente não completamente estruturado. Exemplo: robôs utilizados em
missões espaciais, ou exploradores
Este material foi adaptado de
Roggia, Leandro Automação industrial / Leandro Roggia, Rodrigo Cardozo Fuentes. – Santa
Maria : Universidade Federal de Santa Maria, Colégio Técnico Industrial de Santa Maria,
Rede e-Tec Brasil, 2016. 102 p. : il. ; 28 cm ISBN: 978-85-9450-001-4
Vianna, Maria Leonor Reis Mecânica: automação / Maria Leonor Reis Vianna (autora);
Edvaldo Angelo, Gabriel Angelo (coautores); Evaldo Silva, Mauro Gomes da Silva
(revisores); Meire Satiko Fukusawa Yokota (coordenadora). -- São Paulo: Fundação Padre
Anchieta, 2011 (Coleção Técnica Interativa. Série Mecânica, v. 4)